試驗(yàn)材料取自某公司電站主蒸汽管道的一段，該管道在定期檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)材料珠光體球化嚴(yán)重，現(xiàn)場金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)材料的珠光體球化級(jí)別達(dá)到5級(jí)，該管道參數(shù)為：管徑為175mm，壁厚為22mm，材料為12Cr1MoV鋼，設(shè)計(jì)溫度為557.75℃，設(shè)計(jì)壓力為11.5MPa，服役溫度為540℃，服役壓力為10.5MPa，累計(jì)運(yùn)行18a。對(duì)割管材料進(jìn)行取樣，并分別進(jìn)行金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能測(cè)試和高溫蠕變持久試驗(yàn)。

      分別在蒸汽管道母材、焊縫附近位置取金相檢驗(yàn)試樣，取樣位置如圖1所示。對(duì)所取試樣進(jìn)行打磨、拋光后，用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸乙醇熔液進(jìn)行腐蝕，利用光學(xué)顯微鏡分別觀察管道外壁、中間層、內(nèi)壁、焊縫區(qū)域的顯微組織。在管道母材的縱向取樣，用萬能疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行室溫(20.1℃)和高溫(540℃)拉伸試驗(yàn)，每組試驗(yàn)取2個(gè)試樣。在管道母材的縱向取樣，用高溫蠕變持久試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的高溫蠕變持久強(qiáng)度，測(cè)試應(yīng)力為120~220MPa，測(cè)試溫度為520~580℃，溫度間隔為20℃。

2.1 金相檢驗(yàn)

     主蒸汽管道的顯微組織形貌如圖2所示，根據(jù)DLT 773—2016 《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 6394—2017 《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》，對(duì)主蒸汽管道的珠光體球化等級(jí)和晶粒度進(jìn)行評(píng)級(jí)。發(fā)現(xiàn)該蒸汽管道已經(jīng)嚴(yán)重球化，球化等級(jí)為5級(jí)，晶粒度等級(jí)為6.5級(jí)，顯微組織為鐵素體+球化體；該蒸汽管道內(nèi)壁、中間層、外壁組織的球化程度、晶粒度等級(jí)均一致。

2.2 拉伸試驗(yàn)

     室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，可知在室溫環(huán)境下，該管道母材的屈服強(qiáng)度為266~348MPa，抗拉強(qiáng)度為476~563MPa，斷后伸長率為31.5%~32.5%，滿足GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》的規(guī)定，但屈服強(qiáng)度較低且接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下限，說明球化對(duì)材料的室溫力學(xué)性能有較大影響。

     高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，可知在高溫環(huán)境下，管道的屈服強(qiáng)度為196~201MPa，抗拉強(qiáng)度為265~280MPa，斷后伸長率為28.5%~37.0%，滿足GB/T 5310—2017的規(guī)定，但屈服強(qiáng)度較低且接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下限，說明球化對(duì)材料的高溫力學(xué)性能有較大影響，原因是球化珠光體導(dǎo)致材料的屈服強(qiáng)度降低，在熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力的作用下，球化珠光體的片層間距增大，晶粒尺寸變大，晶界總長度減小，晶界強(qiáng)化作用減弱；碳化物的析出導(dǎo)致固溶強(qiáng)化效果減弱，不斷聚集長大的碳化物引起局部應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致材料的高溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度降低。

     蒸汽管道直管段的內(nèi)壓應(yīng)力(σ_eq)和環(huán)向應(yīng)力(σ_θ)的計(jì)算方法分別如式(1)~(2)所示。

      蒸汽管道計(jì)算應(yīng)力取蒸汽管道內(nèi)壓應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力的最大值，因此蒸汽管道計(jì)算應(yīng)力取σ_θ。在預(yù)測(cè)剩余壽命時(shí)，考慮到蒸汽管道運(yùn)行的波動(dòng)變化以及管道厚度不均勻等因素，管道的計(jì)算應(yīng)力必須給定一個(gè)合適的安全系數(shù)(2.0)，因此，該蒸汽管道的計(jì)算應(yīng)力為82.2MPa。

     根據(jù)高溫持久強(qiáng)度性能測(cè)試數(shù)據(jù)分析，采用L-M參數(shù)[p(σ)]方程建立壽命評(píng)估模型，計(jì)算該蒸汽管道的剩余壽命，該方法是已普遍應(yīng)用且相對(duì)可靠的剩余壽命評(píng)估方法。12Cr1MoV鋼的L-M參數(shù)方程如式(3)所示。

     表3為不同試驗(yàn)應(yīng)力(σ)下主蒸汽管道的斷裂時(shí)間，通過試驗(yàn)應(yīng)力-試驗(yàn)溫度-斷裂時(shí)間之間的關(guān)系得到p(σ)-σ擬合曲線(見圖3)。

12Cr1MoV鋼材料的高溫性能比較穩(wěn)定；圓點(diǎn)為計(jì)算應(yīng)力(82.2MPa)下擬合線中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的p(σ)=21619.0。將p(σ)=21619.0，T =813K(蒸汽管道的工作溫度)代入式(3)，可得t_r=39051h，約為4.45a。

4.1 結(jié)論

     (1) 長期高溫服役后，該蒸汽管道材料組織已發(fā)生嚴(yán)重球化，球化等級(jí)為5級(jí)，組織為鐵素體+碳化物，蒸汽管道內(nèi)壁、中間層、外壁組織的球化程度、晶粒度等級(jí)均一致。

     (2) 該蒸汽管道室溫、高溫力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但是室溫、高溫屈服強(qiáng)度均較低，且接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下限值，原因是晶粒尺寸變大，晶界總長度減小，晶界強(qiáng)化作用減弱,碳化物的析出導(dǎo)致固溶強(qiáng)化效果減弱，最終導(dǎo)致材料的高溫抗拉強(qiáng)度、高溫屈服強(qiáng)度大幅降低。

    (3) 在工作壓力為10.5MPa(計(jì)算應(yīng)力為82.2MPa)，工作溫度為540℃的條件下，該蒸汽管道的剩余壽命約為4.45a。

4.2 建議

      建議該蒸汽管道在4a內(nèi)進(jìn)行更換，在運(yùn)行期間，加強(qiáng)日常檢查工作，以避免該蒸汽管道與其他管線碰撞，產(chǎn)生額外應(yīng)力；嚴(yán)格控制工作溫度和工作壓力，對(duì)該蒸汽管道進(jìn)行蠕變狀態(tài)監(jiān)測(cè)、金相檢驗(yàn)跟蹤等工作。